1. 引言
渭东新城项目位于渭南市向东发展主要轴线上,东与华州区相邻,西与渭南市区相接,总体规划范围约30平方公里,总投资100亿元。项目核心规划为“一城、五镇、一路、一水系”。“一城”即新城社区,“五镇”为沿新城社区至华州区沿线,分别规划建设现代农业风情小镇、风土民俗风情小镇、老腔皮影文化小镇、赤水小镇、现新民小镇五个特色小镇;“一路”即沿新城社区至华州区,串联起五个特色小镇修建一条长约20公里、宽50米,双向6车道的华州大道;“一水系”即沿华州大道修建一条排洪渠,做到水、路并通 [1] [2] 。
渭南市地处陕西关中渭河平原东部,渭东新城社区位于渭南市临渭区,土壤类型以土、潮土、黄墡土为主。在建设过程中,发现项目区内存在化工厂、水泥厂、污泥处理厂废弃场地,可能存在重金属污染 [3] 。20世纪60年代,美国、欧洲中的德国、法国和荷兰等和日本等发达国家以重工业为主的经济发展模式引发了严重的土壤污染问题 [4] ,为应对农田土壤重金属污染这一世界性问题,发达国家很早便开展了相应的污染防治工作,并形成了较为完善的法律、法规、技术和工程等土壤污染防治管理体系,自20世纪80年代起,美国通过《超级基金法》,制定了关于环境监测、风险评价和土壤修复等领域的标准管理体系,包括农业投入品管理,农产品检测、溯源与安全管理,以及污染耕地种植结构调整等方面 [5] ,欧洲各国通过建立土壤可持续利用工作机制,完善土壤环境管理的法制、法规和相关标准等有效措施从整体上加强农田土壤环境管理 [6] 。立足于“防重于治”的方针,欧洲各国注重对其土壤污染的长时间、多尺度监测,日本颁布了一系列土壤污染防治标准和法律、法规,确定了污染农田监测区域和修复技术应用范围,根据地质条件和土壤特性等因素设计了满足不同工程要求的客土法(埋入、上覆、转换和排土等) [7] ,并规定修复完成后对修复区稻米重金属含量进行连续3年的监测,达标区解除监测,不达标区由政府统一收购污染稻米后继续进行修复。
重金属主要通过“作物吸附后,富集在作物中,随着人类的直接食用,又进一步富集在人体内”或“被植物富集后的植物被牲畜食用,后牲畜作为食物被人类食用时,进入人体内”的食物链系统进入人体 [8] 。其中铅(Pb)具有显著的毒性作用,人体每天允许摄入的铅含量为0.00357 mg/kg,农作物中Pb的累积主要在根部,向地上部分转移的量很少,但如浙江金华市土壤Pb含量超过土壤环境容量后,检测到大米中Pb浓度达到0.247 mg/kg,Pb进入人体吸收后,分布于肝、肾、脑、胰及主要动脉中,对人体中枢神经系统、造血系统、消化系统、肾功能损伤,并有明显的致癌作用 [9] 。
当前国内土壤重金属污染研究主要集中在污染源解析,矿区周边土壤污染特征分析,健康风险评价及修复技术等多个方面 [10] ,对我国土壤污染防治现状和应对策略目前仍缺乏全面细致的认识。本研究在实地调研的基础上,通过hydrus-1D对场地重金属的纵向迁移过程进行模拟,为保证居民的身体健康和粮食安全,有必要对土壤的Pb污染状况进行预测。
2. 渭东新城土壤重金属调查
土壤环境调查
对项目区5个污染点源进行了实地踏勘,选取其余污染点源即化工厂附近、污水厂附近、砖厂附近和建筑垃圾填埋场附近土壤进行取样,其取样方法遵循《土壤环境监测技术规范》,污染场地土壤采样可以分为表层样和分层样(柱样) 2类。对照点或可以排除深层污染的点位可以采集表层样,表层样采样深度为0~0.2 m;分层样原则上采集3层分层样:表层样、中层样、深层样。表层样采集主要采用锹、铲及竹片等工具,采集时需要清除地表大块石块、植被等;分层样采集以钻孔打井取样(人工或机械钻孔)为主,对于有硬质覆盖或构筑物的地块,原则上对硬质覆盖层或构筑物进行清除后进行打井监测,将其下土壤结合实际采集样品。
在实验室,将土壤样品风干,用木棒撵碎,多点取样研磨,过100目筛.土壤As、Hg含量采用DB51/T 836-2008方法采用原子荧光光度计测定.土壤Pb、Cd采用GB/T17138-1997方法消解,用ICP-MS测其含量。
3. 模型的建立与参数设置
3.1. HYDRUS水分运动方程与定解
在HYDRUS软件中,通过Richards方程的修正式来描述土壤水分运动 [11] :
(1)
式中:h——压力水头/cm;
——体积含水量/ml∙cm−3;s——根系吸水情况的源汇项/ml∙(ml∙hr);K——不饱和导水率函数/cm∙hr−1。
用辽伽金有限元总线性函数来解达西水流方程,需要确定初始值以及边界条件。
3.2. HYDRUS溶质运移方程
选用平衡态的对流–弥散方程来描述根区的溶质运移(不考虑固相吸附) [12]
(2)
C——溶质浓度/mol∙cm−3;D——弥散系数/cm2∙d−1;
——平均孔隙速率,cm∙d−1,在不考虑分子扩散的情况下弥散系数为:
(3)
——弥散度/cm。由于
可以从水流模型的数值求解中得到(
,其中q为达西流速,cm∙d−1),所以(4-4)中仅包含一个未知参数
。
3.3. 溶质模拟参数设定
溶质迁移的空间权重计算选择伽辽金有限元方法,时间权重计算方案选择克拉克–尼尔森显示法。
模拟时段从2018年6月开始到未来30a,以天为计算单位。考虑到气象变异较强烈,且对土壤水和地下水的影响较大,因此本研究采用长系列气象资料进行模拟。采用1984~2014年的气象数据作为模型驱动,计算蒸发、淋洗、降雨入渗等。
4. 污染园区土壤中Pb的污染趋势预测
本研究对土壤地下水向表层迁移和土壤降雨情况下雨水携带重金属入渗情况进行模拟,模拟多种状况下的重金属迁移情况。
地下水向表层迁移模拟
研究区表面存在蒸发现象,因此上边界为大气边界,通过对研究区地下水位的动态观测可知地下水位波动不大,因此下边界条件设为变水头边界。溶质运移的上边界条件选择浓度通量边界,下边界选择零浓度梯度边界。上边界根据降雨量、降雨浓度(设为0)求得。由于污染源区不进行灌溉,因此上边界气象条件只考虑降雨,初始条件,根据实际测得的土壤含水量和土壤Pb浓度设定。
图1对土壤水分的迁移以地下水向上迁移为主,在迁移过程中,水分越向上迁移,浸润锋前进需要时间越长,初始10天土壤水分向上迁移达40 cm,而20天后,仅向上迁移10 cm,随后在50天向上迁移40 cm,越向土壤表面,水分迁移越慢,而溶质的迁移与水分运动规律相近,初始的分布为表面浓度高,底部浓度低的分布方式,而随着水分的运动,土壤底部的污染物向上迁移,底部浓度变低,但变动幅度不大,我们可以看出,在水分迁移后,底部相同深度处浓度下降,如1.8 m深度处,初始浓度为21 mmol∙cm−3,而随着水分的向上迁移,浓度逐渐降低为15 mmol∙cm−3,再向上迁移,不同日期的浓度差异越明显,当水分到达1.2 m处时,可以看到初始浓度为60 mmol∙cm−3,在10天后,浓度下降至43 mmol∙cm−3,20天后浓度降低至41 mmol∙cm−3,浓度下降也存在初期变化快,后期变化缓慢的特点。
(a) 污染土壤水分运动模拟(b) 污染土壤Pb迁移模拟
Figure 1. 100 days of water and pollutant simulation
图1. 100天水分及污染物模拟情况
将时间拉伸至30年长度,以1年为期限,绘制30年中每年的水分与盐份分布,观察长时间尺度的重金属分布。
如图2,对于30a的模拟,可以观察到水分的变化为上下部同时进水,上部来水主要为降雨来水,下部来水主要为地下水,上下部同时来水,在1 m深处,由于土壤质地不同,水分的分布差异较大,第一年地下1 m以下水分便达到35%以上,而地下水位1 m内,土壤水分的变化较为复杂,第一年表层水分迁移至0.4 m,而底层向上迁移至0.6 m,中间存在0.2 m的干土层,As随水分迁移至相同高度,在第二年,地下水向上迁移,到达0.45 m深度处,同样上方来水也到达0.45 m深度,在第二年后,污染物向表层迁移,聚集,土壤表面0.2处浓度逐渐升高。
(a) 污染土壤30a水分运动模拟 (b) 污染土壤30a Pb运动模拟
Figure 2. 30a moisture and pollutant simulation
图2. 30a水分及污染物模拟情况
5. 结论与展望
1) 本研究在获取了土壤参数和Pb在土壤中的吸附分配系数的基础上,运用Hydrus-1D建立了Pb在浅层土壤中的运移转化数值模拟模型。
2) 运用建立的运移转化数值模拟模型对未来30a Pb离子在研究区域浅层土壤中的运移转化趋势进行预测。
3) 由模型预测结果可知,预测期2a之后,污染源处土壤中Pb的含量开始升高,需要采用工程手段进行修复。